Wetter

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Lokale Strömungen

Warum strömt und zirkuliert Luft? Was sind die treibenden Kräfte?

Die Sonne erwärmt verschiedene Regionen der Erde verschieden stark. Da Wärme Luft in Bewegung setzt und aufsteigen lässt, entstehen hieraus Druckunterschiede, die zu Luftströmungen führen. Der Maßstab solcher Bewegungen kann sehr verschieden sein. Er reicht von globalen Strömungen (durch die Erddrehung bedingte Windrichtungen), über regionale Systeme (Wirbelstürme) bis hin zu lokalem Transport im kleinen Raum (Bergwinde). In einigen Zonen der Erde bläst der Wind bevorzugt in einer Richtung, in anderen wechselt die vorherrschende Windrichtung mit der Jahreszeit. In den meisten Gebieten kann die Windrichtung jedoch von Tag zu Tag variieren.
Benannt wird der Wind nach der Himmelsrichtung, aus der er dem Kompass zufolge kommt. D.h. ein Wind, der aus nördlicher Richtung weht, ist ein Nordwind.

Die Sonne liefert die treibende Energie für unsere Winde und Strömungen. Zu deren genauerem Verständnis müssen wir jedoch noch weitere Kräfte berücksichtigen.

1. Die Kraft des Druckgradienten (engl.: pressure gradient force PGF) besteht darin, dass sich über eine bestimmte Entfernung der Druck jeweils von Ort zu Ort ändert. Man spricht von einem Gradient. Die Luft strebt danach, diese Differenzen auszugleichen und es entsteht Wind.

Wind tritt dann auf, wenn ein Unterschied im Luftdruck besteht. Je größer dieser Druckunterschied ist, desto stärker ist die erzeugte Kraft. Nicht nur die Größe des Druckunterschiedes, auch die Distanz zwischen dem Gebiet hohen Druckes (H) und dem Gebiet tiefen Druckes (T, engl. L) legt fest, wie stark die sich bewegende Luft beschleunigt wird. Meteorologen bezeichnen die Kraft, die die Windströmung auslöst, als Druckgradienten.
Analog könnten wir sagen, ein Kugel rollt umso schneller den Hang hinab, desto größer der Höhenunterschied und desto geringer die Entfernung zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Punkt ist.

2. Erdanziehung - die Erdanziehung bewirkt eine Anziehung der Luft und dadurch einen vertikalen Druck. Auch hierdurch entstehen Winde.

3. Corioliskraft - Wenn der Wind zu wehen beginnt, so ändert die Erddrehung seine Richtung. Dieser Einfluss wird als Corioliseffekt bezeichnet.

Die Abbildung zeigt die Auswirkung der Erddrehung auf ein Objekt, welches als schwarzer Punkt (bullet) dargestellt ist. Vom Nordpol ausgehend beginnt seine Bewegung in Richtung der blau eingezeichneten beabsichtigten Linie auf ein bestimmtes Ziel (target) zu, welches als roter Punkt dargestellt ist.
Die Abbildung rechts verdeutlicht, dass der reale Weg - in schwarz - nicht auf der vorgesehenen blauen Bahn verlaufen wird. Denn während sich der schwarze Punkt bewegt, ändert das Ziel infolge der Erddrehung seinen Ort. Die Bewegung endet westlich des vorgesehenen Zieles und das sich bewegende Objekt erfährt auf der Nordhalbkugel eine Ablenkung nach rechts relativ zu der sich drehenden Erde, obwohl es sich geradeaus bewegt.
Abbildung 4 (unten) verdeutlicht diese relative Rechtsdrehung vom Nordpol aus gesehen. Vom Südpol aus wäre es eine Linksdrehung.

Die Corioliskraft führt dazu, dass alle Objekte auf der Nordhalbkugel eine Ablenkung nach rechts erfahren und alle Objekte auf der Südhalbkugel eine Ablenkung nach links. Die Auswirkung der Corioliskraft ist nur an größeren Objekten spürbar, die große Distanzen zurücklegen, wie dies bei Luftpaketen der Fall ist. Schiffe z.B. wären zu klein um eine messbare Änderung in ihrer Fahrtrichtung als Folge der Corioliskraft zu erfahren.
 

4. Reibung - Die Reibung an der Erdoberfläche hat eine große Bedeutung für den Luftmassenfluss in Bodennähe. Mit zunehmender Höhe nimmt diese Bedeutung ab und etwa ab 1-2 km über dem Grund kann man sagen, dass sie keine Rolle mehr spielt. Den Bereich der unteren Atmosphäre, in dem Reibung von Bedeutung ist, bezeichnet man auch als Grenzschicht (engl.: boundary layer).

5. Zentrifugalkraft - Ein Körper, der sich auf einer kreisförmigen Bahn bewegt, erfährt eine Kraft nach außen. Diese Kraft wird als Fliehkraft oder Zentrifugalkraft bezeichnet. Sie hängt von der Masse des Körpers, seiner Geschwindigkeit und dem Abstand vom Drehzentrum ab. Je größer die Masse, je höher seine Geschwindigkeit und je kleiner der Abstand zum Zentrum der Drehung, desto höher ist die Zentrifugalkraft.
Uns allen ist die Fliehkraft vertraut von Fahrten auf dem Karussell oder wenn wir mit dem Auto oder Rad schnell in eine Kurve fahren.

Landwind und Seewind

Wasser hat eine wesentlich höhere Wärmekapazität als Land. Dies bedeutet, das Meer erwärmt sich langsamer als das Festland, es hält aber auch die Wärme länger. Zwischen größeren Wasserflächen und dem angrenzenden Land entwickeln sich daher Temperaturdifferenzen. Diese bewirken lokale Druckdifferenzen in ähnlicher Weise, wie dies die verschiedene Sonneneinstrahlung im weltweiten Maßstab bewirkt. Während eines warmen Sommertages erwärmt sich das Land schneller als die See und ein lokaler Wind stellt sich ein, der als Seewind bezeichnet wird.

Seewind entwickelt sich, wenn das Festland sich an einem sonnigen Tag stärker als das Meer erwärmt. Die Luft über dem Land beginnt zu steigen, da die Warmluft leichter als die umgebende Kaltluft ist. Der durch die aufsteigende Warmluft entstehende niedrigere Luftdruck über dem Land wird durch Nachströmen kälterer Luft von der Seeseite ausgeglichen.

Während der Nacht kühlt sich die See langsamer ab als das Land. Daher kehrt sich die Zirkulation um und Luft strömt vom Wasser zum Land. Dieser Wind wird als Landwind bezeichnet.

Bergwind und Talwind

In gebirgigen Regionen finden wir ein spezielles Windsystem. Die Hänge der Berge und die engen Teile des Tales werden durch die Sonne intensiver bestrahlt als der weite Talgrund oder das Vorland des Gebirges. Die führt zu Talwinden während des Tages und zu Bergwinden während der Nacht. Was bedeutet dies?

Wir können uns vorstellen, dass die fließende Luft ersetzt werden muss, wenn der Wind am Tag den Hang aufwärts weht oder in der Nacht den Hang hinab. Wir könnten z.B. denken, am Tag steigt die Luft am Hang entlang hinauf und kommt in der Mitte des Tals wieder hinunter. Wir hätten eine Hangwindzirkulation, wie auf dem Bild links gezeigt. Tatsächlich wird sie aber während des Tages nur kurz beobachtet, denn ein typisches Tal ist ein wenig komplizierter aufgebaut ...
 

Je enger ein Tal ist, desto höher ist der Anteil der Hänge und desto mehr Luft steigt auf. Diese Luft wird ersetzt durch Luft aus den flacheren Teilen des Tales oder sogar aus dem Gebirgsvorland, dort, wo wir weniger Hänge finden. So kommt der Wind während des Tages für gewöhnlich aus den flacheren und niedrigeren Teilen des Talsystems. Da wir Winde nach ihrer Herkunft und der Richtung benennen, aus der sie wehen, sprechen wir von einem Talwind. Während der Nacht fällt kalte Luft an den Berghängen hinab zu Tal. Der Wind geht in die umgekehrte Richtung. Er kommt nun von den Gipfeln der Berge und weht in Richtung des weiter werdenden Tales. Wir nennen ihn daher Bergwind.
 

11. Lokale Windzirkulation während des Talwindes
 

Natürlich muss auch hier, wie bei Land- und Seewind, die Luft, die am Talende aufsteigt und talaufwärts transportiert wird, wieder zurückkommen und ihren Weg  nach unten finden. Dies findet in der Höhe statt. So haben wir wieder eine lokale Luftzirkulation. Das Bild gibt die wirklichen Verhältnisse vereinfacht wieder, denn in Realität ist ja eine Gebirgslandschaft sehr stark strukturiert.

Compiled by Vera Schlanger & Szabolcs Bella - Hungarian Meteorological Service
Scientific reviewing: Dr. Ildikó Dobi Wantuch / Dr. Elena Kalmár - Hungarian Meteorological Service, Budapest
Letzte Überarbeitung 2007-09-03 Elmar Uherek

Further reading:

http://www.infoplease.com
http://www.ux1.eiu.edu
http://phun.physics.virginia.edu
http://cimss.ssec.wisc.edu
http://www.research.umbc.edu
http://www.doc.mmu.ac.uk/aric/